Themen:
- Einführung
- Ansteuerung eines Aktors durch ein Relais, einen Transistor und einen FET
- Steuerung eines Aktors durch ein Steuergerät
Einführung:
In modernen Kraftfahrzeugen gibt es Dutzende Steuergeräte, die sowohl für den Betrieb des Verbrennungs- und Elektromotors als auch für Komfort- und Sicherheitsfunktionen verantwortlich sind. Diese Steuergeräte sind mit einer Software ausgestattet, die die Signale der Sensoren verarbeitet und daraus ermittelt, welche Aktoren angesteuert werden müssen. Auf der Seite "Schnittstellenschaltungen„geht tiefer in den Prozess ein, bei dem die Ein- und Ausgangssignale von der ECU (Steuereinheit) verarbeitet werden.
Im nächsten Bild sehen wir in der Mitte das Motormanagement-ECU, links die Sensoren und rechts die Aktoren.
- Sensoren senden eine niedrige Stromspannung an das Steuergerät. Die Höhe der Spannung (im Bereich von 0 bis 5 oder 14 Volt), die Frequenz (Geschwindigkeit) oder die Pulsweite eines PWM-Signals geben dem Steuergerät Auskunft über den Messwert des Sensors.
- Bei Aktoren kommt es eher auf den Strom als auf die Spannung an. Obwohl zur Stromerzeugung eine Spannung erforderlich ist, funktioniert der Aktor ohne diesen Strom nicht.
Auf der Seite "Sensortypen und Signale„Die Eingangssignale vom Sensor zum Steuergerät werden ausführlicher besprochen. Diese Seite beleuchtet die Steuerung von Aktoren.
Steuerung eines Aktors durch ein Relais, einen Transistor und einen FET:
Der Aktuator wird von der ECU ein- und ausgeschaltet. Im Steuergerät erfolgt dies über a Transistor oder FET eine elektrische Verbindung hergestellt oder unterbrochen wird.
Das Antriebsprinzip eines Transistors ist gleich eins Relais: Beide Komponenten werden mit einem Steuerstrom angesteuert, um sie leitend zu machen. Die Funktionsweise eines Transistors unterscheidet sich von der eines Relais: Im Transistor befinden sich keine beweglichen Teile. Der Transistor schaltet mit einem Elektronenstrom.
In den drei Bildern unten sehen wir eines Relaisschaltung mit einer Lampe.
- Relais ausgeschaltet: Es fließt kein Steuerstrom. Die Spule ist nicht magnetisch, daher ist der Schalter auf der Hauptstromseite geöffnet. Es läuft auch kein Hauptstrom. Die Lampe ist ausgeschaltet;
- Relais eingeschaltet: Die Relaisspule erhält eine Versorgungsspannung und ist mit Masse verbunden. Es fließt ein Steuerstrom und die Spule verbraucht die Versorgungsspannung, um magnetisch zu werden. Durch das Magnetfeld wird der Schalter im Hauptstromteil geschlossen. Es beginnt ein Hauptstrom zu fließen und die Lampe leuchtet auf;
- Situationsskizze des Steuerstroms durch die Spule und des Hauptstroms durch die Lampe.
In einem Steuergerät werden Transistoren und/oder FETs ein- und ausgeschaltet. Auf den nächsten drei Bildern sehen wir eine Transistorschaltung mit einer Lampe als Verbraucher. Der Transistor ist vom NPN-Typ.
- Transistor nicht leitend: Am Basisanschluss des Transistors liegt keine Versorgungsspannung an. Es fließt kein Steuerstrom, daher schaltet der Transistor den Hauptstrom nicht;
- Transistor in Leitung: Am Basisanschluss liegt eine Versorgungsspannung an. Ein Steuerstrom fließt über Basis und Emitter zur Erde. Der Transistor beginnt zu leiten und verbindet den Masseanschluss der Lampe mit der Masse des Stromkreises. Es beginnt ein Hauptstrom zu fließen und die Lampe geht an;
- Situationsskizze des Steuerstroms durch den Transistor und des Hauptstroms durch die Lampe.
Wir sehen zunehmend den Einsatz von FETs im Steuergerät. Die Abkürzung FET steht für: „Field Effect Transistor“. Der Hauptunterschied zwischen einem FET und einem Transistor besteht darin, dass ein FET mit einer Spannung eingeschaltet wird, während ein Transistor einen Treiberstrom benötigt. Sobald der FET leitend gemacht wird, beginnt ein Elektronenfluss. Der Elektronenfluss verläuft von Minus nach Plus (tatsächliche Stromrichtung).
- FET leitet nicht. Das Gate wird nicht mit einer Steuerspannung versorgt;
- FET im leitenden Zustand: An das Gate wird eine Steuerspannung angelegt. Der FET beginnt zu leiten, wodurch ein Hauptstrom durch die Lampe fließt.
- Situationsskizze, in der wir die Richtung des Elektronenflusses (von Minus nach Plus) durch den FET sehen.
Der Betrieb der Transistor en FET werden auf separaten Seiten beschrieben. Auf dieser Seite konzentrieren wir uns ausschließlich auf die Schaltprinzipien von Aktoren.
Steuerung eines Aktors durch ein Steuergerät:
Der Transistor und der FET befinden sich auf der Leiterplatte des Steuergeräts, manchmal aber auch in Aktoren. In diesem Abschnitt werfen wir einen genaueren Blick auf die ECU-Schaltkreise für vier verschiedene Arten von Aktuatoren. Im Bild sehen wir zwei passive Aktoren mit eigenem Plus und einer Masseschaltung über die ECU.
Passive Aktoren sind in den meisten Fällen mit einer Spule ausgestattet, die über eine eigene Versorgungsspannung verfügt und vom Steuergerät auf Masse geschaltet wird. Ein passiver Aktuator kann über einen Positionssensor verfügen, dieser ist jedoch häufig auch passiv (extern). Potentiometer) und wird über eine separate Signalleitung in einem anderen Teil des Steuergeräts verarbeitet.
Wenn der Strom durch den Aktuator direkt durch den Transistor im Steuergerät geleitet wird, spricht man von einem Leistungstransistor. Ein passiver Aktor kann auch über einen FET angesteuert werden.
Die folgenden Bilder zeigen Beispiele für die Ansteuerung passiver Aktoren.
1. Zündspulensteuerung: Bei einer Zündspule ohne interne Treiber wird der Primärstrom der Zündspule vom Steuergerät auf Masse geschaltet. Die Abbildung zeigt den Leistungstransistor im Steuergerät (2), ausgelegt als Darlington-Rennstrecke um einen größeren Verstärkungsfaktor bereitzustellen, der die Primärspule der Zündspule (3) auf Masse schaltet, um die Primärspule aufzuladen. Die Sekundärspule ist mit der Zündkerzenseite (4) verbunden.
2. Steuerung des Elektromotors: mit a H-Brücke Ein Elektromotor mit Kohlebürsten kann in zwei Richtungen rotieren. Die H-Brücke kann wie gezeigt mit Transistoren oder mit FETs aufgebaut sein. Der Elektromotor ist mit einem Potentiometer ausgestattet, um die Position an die ECU zurückzumelden. Zu den Anwendungen können gehören: Elektromotor für das Heizungsventil, AGR-Ventil, Spiegelglas, Sitzverstellung, Gasventil. Im letzteren Fall wird es ein Double Potentiometer zur Sicherheit angewendet. Bei der H-Brücke handelt es sich in der Regel um einen IC, der in der Leiterplatte des Steuergeräts verbaut wird.
Auf der seite H-Brücke Beispiele für die verschiedenen Versionen der H-Brücke mit Transistoren und FETs werden beschrieben.
Neben passiven Aktoren stoßen wir auch auf aktive und intelligente Aktoren. Im Bild unten sehen wir die Schaltung dieser Typen.
Bei aktiven und intelligenten Aktoren schaltet das Steuergerät den Strom indirekt über den Aktor. Der Transistor im Steuergerät ist relativ leicht, da der Strom, den er durchfließt, Null ist.
- Aktiver Aktor: Der Leistungstransistor befindet sich nun nicht mehr im Steuergerät, sondern im Aktor selbst. Ein Beispiel hierfür ist eine Zündspule (eine Stiftzündspule oder DIS-Zündspule mit internen Treibern). Der aktive Aktor ist in diesem Fall der Fahrer. Der Aktor erhält eine konstante Stromversorgung und eine konstante Masse, und der Signaltransistor im Steuergerät schaltet den Leistungstransistor mit einer logischen 1 oder 0 (5 Volt oder 0 Volt) ein oder aus;
- Intelligenter Aktor: Der Aktor ist mit einem eigenen Steuergerät mit Schalttransistor ausgestattet. Die Kommunikation zwischen beiden (oder mehreren) Steuergeräten erfolgt über den LIN-Bus, wobei digitale Signale ausgetauscht werden. Ein Beispiel für einen intelligenten Aktor ist ein Scheibenwischermotor. Über die LIN-Bus-Kommunikation können Daten wie: die aktuelle Position der Scheibenwischerarme, Geschwindigkeit und Bewegung in die Nullposition ausgetauscht werden.
